DE9310827U1 - HEAT EXCHANGER FROM SEVERAL EXCHANGER TUBES ARRANGED IN PARALLEL - Google Patents
HEAT EXCHANGER FROM SEVERAL EXCHANGER TUBES ARRANGED IN PARALLELInfo
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Abstract
Description
Stenger, Watzke & RingStenger, Watzke & Ring
PATENTANWÄLTE : ; Kai s> r-F.iedri^h-Ri ng 7 0PATENT ATTORNEYS : ; Kai s> rF.iedri^h-Ri ng 7 0
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Hornberger Straße 2, 40882 Ratingen 16< Juli 1993Hornberger Straße 2, 40882 Ratingen 16< July 1993
Wärmetauscher aus mehreren parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren Heat exchanger consisting of several exchanger tubes arranged parallel to each other
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher aus mehreren parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren, deren Querschnitt für den Durchtritt eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien eine im Verhältnis zur Höhe große Breite aufweist, wobei an jeder der beiden Flachseiten der Austauscherrohre Rippen befestigt sind, die aus einem mehrfach mäanderförmig umgelenkten Rippenband gebildet sind.The invention relates to a heat exchanger comprising a plurality of exchanger tubes arranged parallel to one another, the cross-section of which has a large width in relation to the height for the passage of one of the media involved in the heat exchange, wherein fins are attached to each of the two flat sides of the exchanger tubes, which are formed from a ribbed band deflected several times in a meandering shape.
Ein Wärmetauscher dieser Art ist aus der DE 40 39 293 Al bekannt. Die hierbei verwendeten Austauscherrohre bestehen jeweils aus zwei Halbschalen, die in einer hierfür geeigneten Vorrichtung mit den Rippen versehen werden. Anschließend werden jeweils zwei Halbschalen miteinander verbunden, so daß jeweils Austauscherrohre mit der Querschnittsfläche eines langgestreckten Ovals entstehen. Die Rippen bei dem bekannten Wärmetauscher sind aus einem Rippenband geformt, welches vor der Befestigung auf den Flachseiten des jeweiligen Austauscherrohres durch mehrfache, mäanderförmige Umlenkungen die erforderliche Rippenform erhält. Anschließend erfolgt die Befestigung des so geformten Rippenbandes auf der jeweiligen Flachseite des Austauscherrohres. A heat exchanger of this type is known from DE 40 39 293 Al. The exchanger tubes used here consist of two half-shells, which are provided with the fins in a suitable device. Two half-shells are then connected to each other, so that exchanger tubes with the cross-sectional area of an elongated oval are created. The fins in the known heat exchanger are formed from a finned band, which is given the required fin shape by multiple meandering deflections before being attached to the flat sides of the respective exchanger tube. The finned band thus formed is then attached to the respective flat side of the exchanger tube.
Bei einer Ausführungsform des bekannten Wärmetauschers ist vorgesehen, die aus einem endlosen Rippenband hergestellten undIn one embodiment of the known heat exchanger, the heat exchangers made of an endless ribbed band and
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jeweils einen über die Länge der Flachseiten durchgehend geformten Kanal bildenden Rippen mit Ausprägungen in Form von seitlichen Versätzen zu versehen. Auf diese Weise soll in dem die Kanäle durchströmenden Medium ein erhöhter Turbulenzgrad erzeugt werden, was dazu geeignet ist, den Wärmeübergang zu erhöhen.to provide a channel formed continuously over the length of the flat sides with ribs with features in the form of lateral offsets. In this way, an increased degree of turbulence is to be generated in the medium flowing through the channels, which is suitable for increasing the heat transfer.
Nachteilig bei Wärmetauschern dieser Art ist die relativ hohe Verschmutzungsneigung in den durch die Rippen gebildeten Kanälen. Durch die Ausprägungen in Gestalt einzelner seitlicher Versätze wird diese Verschmutzungsneigung noch erhöht, da sich an diesen Stellen besonders leicht Schmutzteilchen festsetzen können, was mit fortschreitendem Betrieb des Wärmetauschers bis zum vollständigen Verschluß des betreffenden Kanals führen kann. Hierdurch wird eine unerwünschte lokale Verschlechterung des Wärmeübertragungsverhaltens des Wärmetauschers hervorgerufen.A disadvantage of heat exchangers of this type is the relatively high tendency for contamination in the channels formed by the fins. The characteristics in the form of individual lateral offsets increase this tendency for contamination, as dirt particles can settle particularly easily in these places, which can lead to the channel in question becoming completely blocked as the heat exchanger continues to operate. This causes an undesirable local deterioration in the heat transfer behavior of the heat exchanger.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den bekannten Wärmetauscher so weiterzuentwickeln, daß der Einfluß eventueller Verschmutzungen auf die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers verringert wird.The invention is therefore based on the object of further developing the known heat exchanger in such a way that the influence of possible contamination on the heat transfer performance of the heat exchanger is reduced.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Rippen mit mehreren Öffnungen versehen sind, deren Öffnungsquerschnitte jeweils mindestens die Größe des durchströmten Querschnittes zwischen zwei benachbarten Rippen aufweisen.To solve this problem, it is proposed that the ribs are provided with several openings, the opening cross sections of which each have at least the size of the flow cross section between two adjacent ribs.
Durch diese Maßnahme wird erreicht, daß im Fall lokaler Verschmutzungen und insbesondere Verschlüsse einzelner Kanalquerschnitte über die öffnungen ein Ausweichen der Strömung in benachbarte Kanalquerschnitte möglich ist, so daß die Strömungsbehinderung und damit der Verlust an Wärmeübertragungsleistung nur gering ausfällt. Ist ein Durchströmen eines durch benachbarte Rippen gebildeten Kanalquerschnittes nicht mehr möglich, so kann die Strömung über eine der in den Rippen angeordneten Öffnungen in den benachbarten Kanalquerschnitt ausweichen undThis measure ensures that in the event of local contamination and in particular blockages of individual channel cross-sections, the flow can escape into adjacent channel cross-sections via the openings, so that the flow obstruction and thus the loss of heat transfer performance is only minimal. If it is no longer possible to flow through a channel cross-section formed by adjacent ribs, the flow can escape into the adjacent channel cross-section via one of the openings arranged in the ribs and
dort weiterströtnen. Nach dieser Umgehung des Hindernisses kann die Strömung dann über eine weitere Öffnung wieder in den ursprünglichen Querschnitt übertreten. Das so erreichte Zusammenfassen zweier Strömungen in einem einzigen Querschnitt hat hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung keine nennenswerten Nachteile, da im Bereich der Umlenkung die Strömungsgeschwindigkeit zwangsläufig ansteigt, so daß sich die Wärmeübertragungsleistung lokal erhöht. Hierdurch wird der Verlust an Wärmeübertragungsleistung im verstopften Querschnitt teilweise wieder aufgehoben.continue to flow there. After bypassing the obstacle, the flow can then return to the original cross-section via another opening. The combination of two flows in a single cross-section achieved in this way has no significant disadvantages in terms of heat transfer performance, since the flow speed inevitably increases in the area of the deflection, so that the heat transfer performance increases locally. This partially compensates for the loss of heat transfer performance in the blocked cross-section.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung sind die öffnungen im Bereich der der Flachseite des Austauschrohres abgewandten Umlenkungen der Rippen angeordnet, so daß ein Stoffaustausch mit dem die Rippen des jeweils benachbarten Austauscherrohres durchströmenden Medium möglich ist. Auch hierdurch wird erreicht, daß die durch Verschmutzungen bedingten Verluste sich gleichmäßiger über die einzelnen Austauscherrohre des Wärmetauschers verteilen. Hierzu trägt ferner bei, wenn die Öffnungen sich mit den öffnungen der Rippen des jeweils benachbarten Austauscherrohres überdecken.According to a preferred embodiment, the openings are arranged in the area of the deflections of the fins facing away from the flat side of the exchanger tube, so that a mass exchange with the medium flowing through the fins of the adjacent exchanger tube is possible. This also ensures that the losses caused by contamination are distributed more evenly across the individual exchanger tubes of the heat exchanger. This is also helped if the openings overlap with the openings of the fins of the adjacent exchanger tube.
Der Strömungsaustausch zwischen den durch die Rippen unterteilten Querschnitten wird ferner dadurch verbessert, daß die Seitenflächen der Rippen im Bereich des Rippenfußes mit zusätzlichen öffnungen versehen sind, deren Öffnungsquerschnitte jeweils geringer sind als die Größe des durchströmten Querschnittes zwischen zwei benachbarten Rippen.The flow exchange between the cross sections divided by the ribs is further improved by the fact that the side surfaces of the ribs in the area of the rib base are provided with additional openings, the opening cross sections of which are each smaller than the size of the cross section through which the flow passes between two adjacent ribs.
Um trotz der zusätzlichen öffnungen eine hohe mechanische Stabilität des Rippenbandes zu erreichen, befinden sich die zusätzlichen öffnungen vorzugsweise jeweils auf halber Länge zwischen zwei aufeinanderfolgenden öffnungen.In order to achieve a high mechanical stability of the ribbed belt despite the additional openings, the additional openings are preferably located halfway between two consecutive openings.
Eine besonders gute Verbindung zwischen dem Rippenband und dem jeweiligen Austauscherrohr wird erreicht, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Mäandrierungen des Rippenbandes rechteckförmig sind, so daß die Umlenkungen ebene Flächen zur Anlage an den Flachseiten des Austauscherrohres bzw. an den entsprechend gestalteten Flächen des Rippenbandes des benachbarten Austauscherrohres bilden. Hierdurch läßt sich auch die gegenseitige Abstützung zwischen benachbarten Austauscherrohren verbessern. A particularly good connection between the ribbed band and the respective exchanger tube is achieved if, according to a preferred embodiment, the meanderings of the ribbed band are rectangular, so that the deflections form flat surfaces for contact with the flat sides of the exchanger tube or with the correspondingly designed surfaces of the ribbed band of the adjacent exchanger tube. This also improves the mutual support between adjacent exchanger tubes.
Eine weitere Ausgestaltung des Wärmetauschers ist schließlich gekennzeichnet durch teils abgesenkt, teils erhaben geformte Ausprägungen in den Seitenflächen der Rippen. Diese Ausprägungen erzeugen bzw. verstärken eine Turbulenz des durchströmenden Mediums, wodurch sich die Wärmeübertragungsleistung zusätzlich erhöhen läßt.A further design of the heat exchanger is characterized by partly recessed, partly raised forms in the side surfaces of the fins. These forms create or increase turbulence in the medium flowing through, which can further increase the heat transfer performance.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines auf der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles der Erfindung. Darin zeigen:Further advantages and details emerge from the following description of an embodiment of the invention shown in the drawing. In it:
Fig. 1 in einer Schnittdarstellung einen Wärmetauscher mit zwei parallel zueinander angeordneten Austauscherrohren, die beidseitig mit Rippen versehen sind undFig. 1 shows a sectional view of a heat exchanger with two exchanger tubes arranged parallel to each other, which are provided with fins on both sides and
Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1.Fig. 2 is a section along the line II-II of Fig. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Wärmetauscher besteht aus Austauscherrohren 1, die nach Art eines Paketes parallel zueinander angeordnet sind. In Fig. 1 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich zwei solcher Austauscherrohre 1 dargestellt.The heat exchanger shown in Fig. 1 consists of exchanger tubes 1, which are arranged parallel to one another in the manner of a package. For reasons of clarity, only two such exchanger tubes 1 are shown in Fig. 1.
Fig. 1 läßt erkennen, daß der Querschnitt der Austauscherrohre 1 für den Durchtritt eines der am Wärmeaustausch beteiligten Medien eine im Verhältnis zur Höhe H große Breite B aufweist. DieFig. 1 shows that the cross-section of the exchanger tubes 1 for the passage of one of the media involved in the heat exchange has a large width B in relation to the height H. The
Längskanten des so gebildeten Austauscherrohres 1 sind gerundet, so daß sich insgesamt der Querschnitt eines langgestreckten Ovals ergibt.Longitudinal edges of the exchanger tube 1 thus formed are rounded, so that the overall cross-section is an elongated oval.
Das jeweils andere Medium wird im Kreuzstrom über die äußeren Flachseiten 2 der Austauscherrohre 1 geführt. Um den Wärmeaustausch zu verbessern, sind zur Vergrößerung der wirksamen Wärmeaustauschflächen auf den jeweiligen Flachseiten 2 der beteiligten Austauscherrohre 1 Rippen 3 angeordnet. Die Rippen 3 werden aus einem endlosen Blech durch wiederholtes Biegen hergestellt, so daß, in Längsrichtung des Austauscherrohres 1 betrachtet, die Rippen 3 sich mäanderförmig aneinanderreihen. Dies ist besonders gut in Fig. 2 zu erkennen. Die Mäandrierungen des so gebildeten Rippenbandes 4 sind, wie ebenfalls Fig. 2 erkennen läßt, rechteckförmig gestaltet, so daß die dem Austauscherrohr 1 zugewandten Umlenkungen 5 sowie die dem Austauscherrohr 1 abgewandten Umlenkungen 6 jeweils ebene Flächen 7,8 bilden. Dabei dienen die Flächen 7 einer besonders guten Verbindung des Rippenfußbereiches mit der Flachseite 2 des Austauscherrohres 1. Hierzu kann z.B. ein Kondensator-Entladungs-Schweißverfahren verwendet werden, wie es in der prioritätsbegründenden deutschen Patentanmeldung P 43 22 405.9 beschrieben ist. Als Material für das Rippenband 4 eignet sich z.B. Stahlblech mit einer Dicke von 0,1 bis 0,4 mm, welches beidseitig mit einer dünnen Aluminiumschicht platiert ist.The other medium is guided in cross-flow over the outer flat sides 2 of the exchanger tubes 1. In order to improve the heat exchange, fins 3 are arranged on the respective flat sides 2 of the exchanger tubes 1 involved in order to increase the effective heat exchange surfaces. The fins 3 are made from an endless sheet of metal by repeated bending, so that, viewed in the longitudinal direction of the exchanger tube 1, the fins 3 are arranged in a meandering pattern. This can be seen particularly well in Fig. 2. The meanderings of the finned band 4 thus formed are rectangular, as can also be seen in Fig. 2, so that the deflections 5 facing the exchanger tube 1 and the deflections 6 facing away from the exchanger tube 1 each form flat surfaces 7, 8. The surfaces 7 serve to provide a particularly good connection between the fin base area and the flat side 2 of the exchanger tube 1. For this purpose, a capacitor discharge welding process can be used, for example, as described in the German patent application P 43 22 405.9, which establishes priority. A suitable material for the fin band 4 is, for example, sheet steel with a thickness of 0.1 to 0.4 mm, which is plated on both sides with a thin layer of aluminum.
Die aus dem mäanderförmig umgelenkten Rippenband 4 bestehenden Rippen 3 befinden sich jeweils auf beiden Seiten der Austauscherrohre 1. Die so gestalteten Austauscherrohre 1 lassen sich dann zu beliebigen Paketen zusammensetzen, wobei die Befestigung sowie Beabstandung der einzelnen Austauscherrohre 1 zueinander an deren Enden erfolgt. Hierbei sollen die Umlenkungen 6 am Ende der Rippe 3 einen möglichst geringen Abstand zu den gegenüberliegenden Umlenkungen 6 des benachbarten Austauscherrohres 1 aufweisen. Der Abstand darf allerdings nicht soThe fins 3 consisting of the meander-shaped deflected fin band 4 are located on both sides of the exchanger tubes 1. The exchanger tubes 1 designed in this way can then be assembled into any desired packages, with the fastening and spacing of the individual exchanger tubes 1 from each other taking place at their ends. The deflections 6 at the end of the fin 3 should have as small a distance as possible from the opposite deflections 6 of the adjacent exchanger tube 1. However, the distance must not be so
gering sein, daß die Gefahr einer Berührung zwischen den Rippen 3 der einander benachbarten Austauscherrohre 1 besteht.be so small that there is a risk of contact between the fins 3 of the adjacent exchanger tubes 1.
Die Rippen 3 bilden keine über ihre gesamte Länge geschlossenen Kanäle, sondern sind in gleichmäßigen Abständen mit Öffnungen 9 versehen. Diese Öffnungen 9 sind im Bereich der der Flachseite 2 des Austauscherrohres 1 abgewandten Umlenkungen 6 angeordnet, d.h. im Bereich des Endes der Rippen, über diese Öffnungen 9 kann ein Stoffaustausch mit dem die Rippen 3 des jeweils benachbarten Austauscherrohres 1 durchströmenden Medium stattfinden.The fins 3 do not form channels that are closed over their entire length, but are provided with openings 9 at regular intervals. These openings 9 are arranged in the area of the deflections 6 facing away from the flat side 2 of the exchanger tube 1, ie in the area of the end of the fins. Via these openings 9, a mass exchange can take place with the medium flowing through the fins 3 of the adjacent exchanger tube 1.
Die Wirkungsweise wird nachfolgend anhand der Fig. 1 erläutert: Die Strömungspfeile A verdeutlichen den Strömungseintritt in den Bereich der Rippen. Nun befindet sich aber in einer der Querschnitte eine Verschmutzung S. Da ein Durchtritt der Strömung in diesem Bereich nicht möglich ist, würde bei einem Wärmetauscher der bekannten Art die Durchströmung dieses Querschnittes vollständig unterbunden sein. Infolge der erfindungsgemäß vorgesehenen Öffnungen 9 hingegen kann die Strömung den Weg einer Umlenkung U gehen. Hierbei tritt die Strömung über die vor dem Hindernis angeordnete öffnung 9 in jenen Querschnitt über, der durch die Rippen 3 des jeweils benachbarten Austauscherrohres 1 gebildet wird. Hier findet dann eine entsprechende Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit statt. Nach der Umgehung des Hindernisses kann ein Teil der Strömung dann wieder über die nachfolgende Öffnung 9 in den ursprünglichen Querschnitt zurückströmen, so daß die Strömung den Wärmetauscher letztlich gleichmäßig verläßt. The mode of operation is explained below using Fig. 1: The flow arrows A illustrate the flow entering the area of the fins. However, there is now a contamination S in one of the cross sections. Since it is not possible for the flow to pass through this area, the flow through this cross section would be completely prevented in a heat exchanger of the known type. However, as a result of the openings 9 provided according to the invention, the flow can take the path of a diversion U. In this case, the flow passes through the opening 9 arranged in front of the obstacle into the cross section that is formed by the fins 3 of the adjacent exchanger tube 1. Here, a corresponding increase in the flow speed takes place. After bypassing the obstacle, part of the flow can then flow back through the subsequent opening 9 into the original cross section, so that the flow ultimately leaves the heat exchanger evenly.
Die beschriebene Wirkung ist dann sichergestellt, wenn der Öffnungsquerschnitt jeder der öffnungen 9 mindestens die Größe des durchströmten Querschnittes Q zwischen zwei benachbarten Rippen 3 aufweist.The described effect is ensured if the opening cross section of each of the openings 9 is at least the size of the flow cross section Q between two adjacent ribs 3.
Die einzelnen Rippen 3 sind mit zusätzlichen geometrischen Strukturen versehen, die dazu dienen, das hindurchströmende bzw.The individual ribs 3 are provided with additional geometric structures which serve to direct the air flowing through them.
vorbeiströmende Medium zu durchmischen oder Turbulenzen zu erzeugen. Hierzu sind in den Seitenflächen der Rippen 3 u.a. Ausprägungen 10 in Gestalt seitlicher Ausbuchtungen vorgesehen, die sich abwechselnd zur einen sowie zur anderen Seite der jeweiligen Rippe 3 erstrecken. Diese Ausprägungen 10 bewirken eine beträchtliche Turbulenzerhöhung des vorbeiströmenden Mediums. Um einen Austausch zwischen dem jeweiligen Rippeninnenraum und dem benachbarten Rippenaußenraum zu erreichen, sind außerdem zusätzliche öffnungen 11 vorgesehen. Diese befinden sich in den Seitenflächen der Rippen 3 im Bereich des Rippenfußes. Ihr Öffnungsquerschnitt ist deutlich kleiner als der Öffnungsquerschnitt der Öffnungen 9, insbesondere geringer als die Größe des durchströmten Querschnittes Q zwischen zwei benachbarten Rippen 3. Fig. 1 läßt erkennen, daß sich die zusätzlichen öffnungen 11 jeweils auf halber Länge zwischen zwei aufeinanderfolgenden öffnungen 9 befinden.to mix the medium flowing past or to create turbulence. For this purpose, the side surfaces of the ribs 3 are provided with features 10 in the form of lateral bulges, which extend alternately to one side and the other of the respective rib 3. These features 10 cause a considerable increase in turbulence of the medium flowing past. In order to achieve an exchange between the respective rib interior and the adjacent rib exterior, additional openings 11 are also provided. These are located in the side surfaces of the ribs 3 in the area of the rib base. Their opening cross-section is significantly smaller than the opening cross-section of the openings 9, in particular smaller than the size of the flow-through cross-section Q between two adjacent ribs 3. Fig. 1 shows that the additional openings 11 are each located halfway between two consecutive openings 9.
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